四冲程发动机换气过程与可变配气相位技术

  四冲程发动机在工作过程中，同人一样需要“吸气”和“呼气”，即吸入新鲜空气，呼（排）出高温废气。这种进气和排气过程，统称为换气过程。在高速发动机中，每一个工作循环的进、排气过程只有千分之几秒。在这极短的时间内，被吸入的可燃混合气愈多，废气排得愈干净、愈彻底，发动机发出的功率就可能愈大。反之，发出的功率就愈小，发动机的动力性和经济性就会下降。由此可见，要提高发动机的功率和扭矩，主要取决于吸入空气量的多少和换气质量的好坏。
  众所周知，空气具有质量，也具有一定的惯性。使空气从静止状态加速到一定速度，需要花费一定的时间，并要产生一定的能量损失。反之，要把空气流停下来，同样需要一定的时间。在发动机上，推动空气加速流动的是汽缸内的真空度（即负压）。在发动机进气行程的开始阶段，进气道的气体并不是一下子就能流进汽缸，而是逐渐加速，并把进气道前端的气体吸进去，同时由于进气道后端的气流速度较低，因此使进气道内的气体分子间隔变大，密度降低。此后，由于气流速度越来越快，在进气道、进气管和空气滤清器内，气流不断被加速，快速地流入汽缸之中，使燃烧室内的气体密度迅速上升。由于气流有较大的惯性，尽管燃烧室内的气流密度已经较大，但是进气速度并不降低，甚至当活塞转过下止点，开始上行一段时间之后，进气还在进行，并使气体密度进一步上升。这种状态相当于进气被无形中压缩了。这时不仅汽缸内的气体密度很大，而且进气道、进气管的气体密度也很大。密度大的气体流量质量大，因此流动惯性进一步加大。当进气密度达到最大值时，进气门关闭，以避免进气倒流，这就是所谓的惯性进气。
  上述的这种现象在我们人类的生活中屡见不鲜。譬如一大群人列队准备去参加某项活动，当列队前方的人开始前进时，后方的人还没有动身，于是前面队列的间隔被逐渐拉开，此后整列人开始齐步走。当前方队列遇到意外情况紧急停止之后，后方队列的人仍然前进，从而挤压前方的人，使对形一下子密集起来。显然，这是惯性在起作用。回过头来，我们再看气流惯性对四冲程发动机换气过程的影响。
  在发动机汽缸直径、行程、频率（即转速）一定的情况下，如何使更多的新鲜空气吸入汽缸用于做功，并使燃烧后的废气尽快排出汽缸，是发动机配气机构的主要任务，即按照发动机汽缸的工作循环和点火顺序的要求，适时开启和关闭进、排气门。由内燃机原理可知，气门开闭位置和活塞的位置有关，活塞的位置和曲轴转角有关，用曲轴转角来表示气门的开闭时间，就是人们常说的配气相位。发动机进、排气门的开、闭，并非人们所想象中的在活塞上、下止点这两个时刻才开始或结束的，而是分别提前打开和延迟关闭，使它的开启角度超过180°，以便争取更大的开启“时间断面”。在实际运行中，四冲程发动机的进气门在活塞到达上止点前就打开（约提前10～40°的曲轴转角），当活塞过了下止点后才关闭（迟闭角约40°～80°曲轴转角），而排气门则是在活塞到达下止点前提前打开（约提前40～80°曲轴转角），当活塞过了上止点后才关闭（迟闭角约10°～35°曲轴转角）。人们把提前开启时刻称作提前开启角，迟后关闭时刻叫迟闭角。那么，为什么进、排气门要提前开启和迟后关闭呢？
  我们知道，气体的流动是从高到低，除去气体温度、气体压力和气体所经通道的阻力外，气体换气受惯性力的限制和影响。在活塞向下运动的过程中，吸气冲程的前半段活塞加速下行，新鲜气体不断流入汽缸、虽然在活塞接近下止点时的速度会减慢，但是，一方面气流有惯性，另一方面汽缸内的压力因为有进气阻力而低于外边的大气压力，在压缩行程的初始阶段，活塞上升速度较慢的情况下，仍有可能利用进气管内的气流惯性和汽缸内外的压力差继续进气。如果活塞在下止点时就关闭进气门，就会把本来还可以继续流入汽缸的新鲜空气挡在气门外边，使实际充量减小。当活塞离开下止点转向上行时，汽缸内的压力会逐渐升高，一旦汽缸内的压力高于进气管压力时，则进气流才会减速。这样总有一个时刻，气体不再往汽缸内流了。此时关闭进气门（即为最佳进气晚关角），汽缸内的充气量最大。从进气门提前开启，到进气门迟后关闭的过程，就是进气的全过程。在这个过程中，汽缸中的气体压力略高于进气管中的压力，主要是进气门处节流和进气流受到高温废气加热，温度也有所提高所致。
  发动机点火爆炸后，一边推动活塞下行做功，一边燃烧后的废气充满了汽缸。此时，废气压力由大变小，压力迅速降低。而当活塞到达下止点之前，在排气门还未打开时，汽缸内的废气压力就会由小变大，压力升高。若要排气门在活塞到达上止点时完全关闭，则要求排气门在上止点前就要开始关小，这将导致排气产生较大的节流阻力。同时，这也使得排气行程中活塞向上运动时，汽缸中的压力复升，阻力增大，排气消耗功增加，残余废气增加。再有，发动机在油门全开、高速运转时，要排出的废气量较大，时间极为短暂。为了在活塞到达下止点时，废气能基本转入亚临界流动状态，从而减少强制排气时活塞上行的阻力，并获得较大的气门开启面积，要求大负荷、高转速的发动机排气门提前开启角要大（该提前转角的大小视发动机转速高低而有所差异）。
  基于这种排气的原理，故有意设定排气门早开，当受爆炸压力推动的活塞还未到达下止点时，汽缸内的气体压力虽然还有0.3～0.4MPa，但就推动活塞作功而言作用已不大。早开排气门，可使大部分废气在此压力作用下高速自汽缸内排出，形成较大的气流惯性。当活塞越过下止点的一瞬间，汽缸内的压力已下降至约0.115MPa，并且排气门已经开大，此时活塞转向上止点方向继续运行。在活塞推动下，汽缸中剩下的废气被强行推出排气门，直到活塞越过上止点，排气门迟后关闭。排气门提前打开，压力提前下降，使气体推动活塞做的功减少了，但反过来，由于汽缸内压力迅速降低，活塞在下止点后转向上止点运行时，用于推动气体排出所消耗的功也减少了。况且，高温废气提前排出，还可以防止发动机过热。因此，排气门提前打开，迟后关闭总的来说是利大于弊。
  由于排气门迟后关闭和进气门提前开启，这就存在着一个进、排气门同时开启的气门重叠阶段，气门叠开时的曲轴转角称为气门重叠角。无数试验证明，在高转速时，气门重叠角大一些对发动机是十分有利的。就配气相位而言，气门重叠角的大小与发动机转速有关，一般设计的原则是：高速发动机大一些，约占30°～90°曲轴转角；中速发动机则小一些，约占20°～60°曲轴转角。例如：雅马哈XJR400中速发动机的配气相位为：进气门开/闭34°/54°，排气门开/闭55°/25°、气门重叠角仅为59°；雅马哈FZR400高速发动机的配气相位为：进气门开/闭36°/60°，排气门开/闭59°/29°、气门重叠角为65°；本田CB125T高速发动机的配气相位为：进气门开/闭38°/27°，排气门开/闭36°/56°、气门重叠角高达94°。
  气门叠开，使进、排气系统和燃烧室连通起来，这时排气流以很高的速度流出排气口，由于气流的惯性，它在短时间内不会改变其流向，反而会使进气门周围产生一定的真空度，有利于引导进气流进入汽缸，以清扫汽缸中的残余废气，使换气效果达到最佳状态。再说，此时进、排气门开启得都很小，气流的流速不可能超过音速，即使在怠速转速（一般在1000r/min以上），活塞完成一个行程也不到1/8秒，只要气门重叠角选择得合适，就不会有废气流入进气管或新鲜混合气被排出的现象。但是，若气门重叠角选择得过大，在发动机的低速性阶段（如：怠速转速）或在小负荷工况下运转，化油器的节气门开启度很小，进气管内的压力很低时，就有可能使废气倒流入进气管，造成发动机的低速性能变差。当然，低速性能变差还与我们下面要讨论的发动机排气正、负压力波有关。
  发动机点火爆炸后，燃烧室内产生的爆发压力推动活塞下行，这时的废气如同一块弹性很大的“橡胶块”，只要压力被取消（即打开排气门）就会急速地膨胀，整个“橡胶块”从排气道向排气管方向迸出。我们试想：一块物体向前高速运动时，物体前面是大气压，那么物体后面就会低于大气压，这将使排气道内的压力变成负压，从而把燃烧室内的残余废气抽吸出去，这种惯性排气效应一直延续到排气管内。
  在理想状态下，当发动机某缸排气时，要求其排气门压力波为负，以利于汽缸排出废气，同时利于该排气气流惯性引入新鲜混合气，使换气效果达到最佳状态，它可以改善燃烧，提高功率。但由于排气管的长度是根据发动机最大功率时，使第一次（即初次）负压力波在气门重叠角反射回到排气门处的距离而定的，是固定不变的。因此，在发动机的其他转速，如中、低速及怠速工况下，由于其工作频率的不同，且各缸排气脉冲相互干扰，而使排气门处于重叠期间受到初次或二次正压力波。正是这正压力波，一方面使进气阻力增大，减少了新鲜混合气的充气量，使汽缸内的残余废气增加，引起燃烧恶化；同时还造成瞬时新鲜混合气的倒流（即反喷）。也就是说，排气中的正压力波将排出的废气重新推回汽缸，并一直推向进气门，流经化油器，并从化油器中吸出燃油，形成一定浓度的“废气—燃油”混合气。而当发动机正式进入吸气冲程的时候，这种“变态混合气”又会再流经化油器，并再次将化油器中的燃油吸出，于是便形成了双倍燃油浓度的混合气。最终使进气过程中吸入的混合气含油量过大，导致汽缸内失火，燃烧迟缓，燃烧速率下降，功率锐减，油耗增加，形成大量未燃的HC污染环境。从而相应导致了发动机中、低速时扭矩谷的出现和怠速的不稳定，严重时甚至会熄火，这在内燃机工作中被称为“富油平谷”。
  由上述可知，配气相位与进、排气流的流动速度密切相关，即与发动机转速有关。原则上讲，一种配气相位只适合一种发动机转速。配气相位取决于凸轮的形线，配气相位对发动机的性能影响很大，且由于凸轮形线的不同，也决定了发动机是高速还是低速。如果是高速凸轮，则发动机在高转速范围功率很大，但在中低转速范围功率下降很多。反之亦然。当然，人们希望发动机在任何转速范围都能得到较大的功率。针对四冲程发动机不同转速时的换气特性，有的大排量发动机采用了可变配气相位技术。
  可变配气相位技术，主要采用某种方法检测发动机转速，根据转速的高低更换凸轮的配气相位。配气相位的改变方法通常有二种：一种是根据转速的高低，将凸轮转过一个角度，使之提前或落后。另一种是根据转速的高低，更换高速凸轮和低速凸轮。变更配气相位的机构比较多，譬如使用正时带轮，使凸轮轴相对于曲轴转过一个角度。又如把凸轮制成一个锥形，根据需要使凸轮轴产生一定的轴向位移，这样很容易改变凸轮的升程。在这方面，日本四大摩托车公司都为之不惜一切代价，投入较大的技术力量进行精心研制。例如：日本铃木公司于上世纪90年代初开发了一种改善发动机低中速功率特性，而不降低高速功率，使气阀及阀的升程都可变化的VC机构，并装置于GSF400V横置四冲程直列4缸发动机上，具有一定的代表性，现将其基本结构、工作原理简述如下。   
  VC构造主要围绕气阀正时与升程的可变化展开，凸轮轴上设置有高速凸轮和低速凸轮，中央是低速凸轮，而左右两侧是两只高速凸轮，它的作用角、升程量都比低速凸轮大。摇臂轴上配置与低速凸轮、高速凸轮配套的中央一只低速用摇臂和左右两只高速用摇臂。VC机构具有高低速两种工作状态，利用高速摇臂的位置变化进行高低速切换：高速状态时，高速摇臂距离凸轮轴较近，高速摇臂、低速摇臂的接触区位于同一方向内，与高速摇臂相比，作用角和升程都小的低速摇臂，因无法与凸轮接触，而处于空摆状态，气门此时由作用角、升程均大的高速摇臂驱动；低速状态时，高速摇臂远离凸轮轴，高速摇臂与低速摇臂的接触区之间产生高度差，此高度差如果比高速凸轮与低速凸轮的外形轮廓之差大的话，高速凸轮就不会接触到高速摇臂，而只是在空摆，低速凸轮则直接驱动低速摇臂使气门运动。此时，高速摇臂在凸轮与低速摇臂间自由游动。这样，可变气门定时VC机构，在高速、高功率时使用高速凸轮，充分发挥了功率；低转速、低功率时使用低速凸轮，充分加大了发动机的扭矩，同时降低了燃油消耗。
  为了弥补部分四冲程发动机扭矩特性曲线较陡，低速扭矩差的缺点，科研人员经过潜心研究和不懈的努力寻找出相应的对策。据有关资料介绍，在一些大排量摩托车上采用了排气控制系统，该系统可随发动机的不同转速，通过转盘阀开启度的调节，提供相应最优的节流比，以达到消除气门重叠期间排气门处正压力波的目的。例如：雅马哈公司在FZR400R型摩托车上应用了EXUP排气控制系统，该系统使用转盘阀布置在4个排气管的接合部位。当车辆处于低速工况时，排气控制系统可使转盘阀转过一个角度，把接合部挡住，使排气压力波以正压力方式反射回去，以免因气门重叠角过大，而把新鲜混合气吸出来；当发动机转速达到某一设定转速之后，转盘阀转过一个角度，使各排气管能自由地通气。这样就避免了因排气管长度固定不变、低速性能差的缺点。显然，“EXUP”排气控制系统较好地协调了发动机高功率与低中速稳定性，使高速发动机的性能在最宽的转速范围内得到充分发挥。
  对于不同的发动机，由于结构形式、转速各不相同，因而其配其相位也不尽相同。合理的配气相位，都是根据发动机的性能要求，经过反复试验后确定的。在现代新型发动机的设计中，一般都利用发动机换气过程中的气流惯性和谐振效应原理，尽量减少进气阻力，增加气流惯性；采用高性能的化油器或电控燃油喷射系统，合理设计空气滤清器，改善燃料和空气的混合效果，以提高燃烧速率；合理选择配气正时，采用配气相位可变技术，以便使发动机的功率、扭矩在更宽的转速范围内得到充分发挥。
  必须特别指出的是，当发动机运行较长时间后，因润滑、冷却等系统发生异常或零件本身的质量问题，以及其它一些不确定因素的影响，配气机构（主要指凸轮轴的升程部分）会逐渐磨损，配气相位的开启角度将相应缩短，使配气相位发生变化，发动机的速度特性会向低速方向移动，具体反映到摩托车上，发动机的动力和经济性自然就会变差。为此，只有更换受损零件，才能恢复发动机原有的工作性能。